Χημεία Α Λυκείου. Διαλύματα

Transcript

1 Διαλύματα Διάλυμα είναι ένα ομογενές μίγμα δύο ή περισσοτέρων ουσιών, οι οποίες αποούν τα συστατικά του διαλύματος. Από τα συστατικά αυτά, εκείνο που έχει την ίδια φυσική κατάσταση με αυτή του διαλύματος και βρίσκεται συνήθως σε περίσσεια, ονομάζεται διαλύτης. Τα υπόλοιπα συστατικά του διαλύματος ονομάζονται διαλυμένες ουσίες. Στις πιο απλές περιπτώσεις ένα διάλυμα περιέχει μία μόνο διαλυμένη ουσία. Τα πιο συνηθισμένα διαλύματα είναι τα υδατικά, όπου ο διαλύτης είναι το νερό. Για παράδειγμα, αν διαλύσουμε αλάτι στο νερό, το αλατόνερο που προκύπτει είναι το διάλυμα, το αλάτι είναι η διαλυμένη ουσία και το νερό είναι ο διαλύτης. Περιεκτικότητες διαλυμάτων Η περιεκτικότητα εκφράζει την ποσότητα της διαλυμένης ουσίας που περιέχεται σε ορισμένη ποσότητα διαλύματος. Συχνά χρησιμοποιούνται οι όροι πυκνό και αραιό διάλυμα για διαλύματα σχετικά μεγάλης ή σχετικά μικρής περιεκτικότητας αντίστοιχα. Αν ένα διάλυμα περιέχει περισσότερες από μία διαλυμένες ουσίες, θα έχει τόσες περιεκτικότητες όσες είναι και οι διαλυμένες ουσίες του. Τρόποι έκφρασης της περιεκτικότητας ενός διαλύματος Η έκφραση της περιεκτικότητας ενός διαλύματος έχει, γενικά, τη μορφή: x % w η v w η v διαλ. ουσια διαλυμα που δείχνει ότι σε 00 g ή ml διαλύματος περιέχονται x g ή ml διαλυμένης ουσίας. Το σύμβολο w (weight: βάρος) σημαίνει μέτρηση της ποσότητας σε g ενώ το σύμβολο v (volume: όγκος) σημαίνει μέτρηση της ποσότητας σε ml. Έτσι έχουμε:. Περιεκτικότητα επί τοις εκατό βάρος κατά βάρος (% w/w) Εκφράζει τα g της διαλυμένης ουσίας που περιέχονται σε 00 g διαλύματος. Για παράδειγμα, διάλυμα ζάχαρης 5% w/w σημαίνει ότι στα 00 g διαλύματος περιέχονται 5 g ζάχαρης.. Περιεκτικότητα επί τοις εκατό βάρος κατ' όγκο (% w/v) Εκφράζει τα g της διαλυμένης ουσίας που περιέχονται σε 00 ml διαλύματος. Για παράδειγμα, διάλυμα NaOH 8% w/v σημαίνει ότι στα 00 ml διαλύματος περιέχονται 8 g NaOH. 3. Περιεκτικότητα επί τοις εκατό όγκο κατ' όγκο (% v/v ή αλκοολικοί βαθμοί) Εκφράζει τα ml της διαλυμένης ουσίας που περιέχονται σε 00 ml διαλύματος. Χρησιμοποιείται συνήθως για την έκφραση της περιεκτικότητας των αλκοολούχων διαλυμάτων (ποτών, υγρών φαρμακευτικών σκευασμάτων κ.ά.) σε οινόπνευμα. Για παράδειγμα, η ένδειξη,5% v/v ή,5% vol ή,5 ο (αλκοολικοί βαθμοί) σε ένα κρασί σημαίνει ότι στα 00 ml κρασιού περιέχονται,5 ml οινόπνευμα.

2 Χρησιμοποιείται επίσης και για την έκφραση της περιεκτικότητας ενός αερίου σε ένα αέριο μίγμα. Για παράδειγμα, η έκφραση ότι ο αέρας περιέχει 0% v/v Ο σημαίνει ότι στα 00 ml αέρα περιέχονται 0 ml Ο. Συγκέντρωση (c) ή μοριακότητα κατ όγκο ή Molaity (M) διαλύματος H συγκέντρωση (ή μοριακότητα κατ' όγκο ή Molaity) ενός διαλύματος εκφράζει τα mol της διαλυμένης ουσίας που περιέχονται σε L διαλύματος. Επομένως: n c = όπου: c η συγκέντρωση του διαλύματος n ο αριθμός mol της διαλυμένης ουσίας ο όγκος του διαλύματος σε L Άρα, μονάδα μέτρησης της συγκέντρωσης είναι το mol/l ή Μ. Για παράδειγμα, διάλυμα HCl M περιέχει mol HCl σε L διαλύματος. Πυκνότητα (d) διαλύματος d διαλυματος m = διαλυματος διαλυματος Γνωρίζοντας την τιμή της πυκνότητας ενός διαλύματος μπορούμε να υπολογίσουμε τη μάζα του διαλύματος από τον όγκο του και αντιστρόφως. Επίσης, μπορούμε να υπολογίσουμε μία περιεκτικότητα όγκου (% w/v ή % v/v ή c) από μία περιεκτικότητα βάρους (% w/w) και αντιστρόφως. Παραδείγματα. Να υπολογιστεί η περιεκτικότητα % w/v καθώς και η συγκέντρωση ενός διαλύματος NaOH, αν γνωρίζουμε ότι σε 00 ml διαλύματος περιέχονται g NaOH. M NaOH = 40 Στα 00 ml διαλύματος περιέχονται g NaOH Στα 00 ml διαλύματος περιέχονται x g NaOH x = 6 g NaOH, άρα 6% w/v m n = = = 0,3 mol NaOH, = 00 ml = 0, L M 40 n 0,3 mol c = = =,5 M 0, L

3 . Να υπολογιστούν: α. η συγκέντρωση ενός διαλύματος ΗΝΟ3 περιεκτικότητας,6% w/v β. η περιεκτικότητα % w/v ενός διαλύματος ΚΟΗ 0, Μ M ΗΝΟ 3 = 63, M ΚOH = 56 α. Διάλυμα ΗΝΟ3,6% w/v σημαίνει ότι στα 00 ml (= 0, L) διαλύματος περιέχονται,6 g HNO3. m,6 n 0, mol n = = = 0, mol HNO 3. `Οποτε εχουμε: c = = = M M 63 0, L β. Διάλυμα ΚΟΗ 0,Μ σημαίνει ότι στο L (= 000 ml) διαλύματος περιέχονται 0, mol KOH. m n = = m = n M = 0, 56 =, g KOH. M Στα 000 ml διαλύματος περιέχονται, g ΚOH Στα 00 ml διαλύματος περιέχονται x g ΚOH x =, g ΚOH, άρα,% w/v 3. Ένα διάλυμα NaOH 8% w/w έχει πυκνότητα,5 g/ml. Να υπολογιστεί η περιεκτικότητα % w/v καθώς και η συγκέντρωση του διαλύματος. M NaOH = 40 Διάλυμα NaOH 8% w/w σημαίνει ότι στα 00 g διαλύματος περιέχονται 8 g ΝaΟΗ. Mέσω της πυκνότητας υπολογίζουμε τον όγκο των 00 g διαλύματος: m m 00 g d = = = = 80 ml διαλυματος d,5 g/ml Στα 80 ml διαλύματος περιέχονται 8 g NaOH Στα 00 ml διαλύματος περιέχονται x g NaOH x = 0 g NaOH, άρα 0% w/v m 8 n = = = 0, mol NaOH, = 80 ml = 0,08 L M 40 n 0, mol c = = =,5 M 0,08 L 4. Ένα διάλυμα NaCl έχει συγκέντρωση 0, Μ, πυκνότητα,7 g/ml και περιέχει 3,4 g NaCl. Να βρεθεί η % w/w περιεκτικότητα του διαλύματος. M NaCl = 58,5 Για να βρούμε την % w/w περιεκτικότητα, εκτός από τη μάζα της διαλυμένης ουσίας που δίνεται, χρειαζόμαστε και τη μάζα του διαλύματος. Η μάζα του διαλύματος μπορεί να βρεθεί από την πυκνότητα, αφού προηγηθεί ο υπολογισμός

4 του όγκου του διαλύματος. Ο όγκος θα βρεθεί από τη συγκέντρωση, αφού πρώτα υπολογίσουμε τα mol της διαλυμένης ουσίας. Επομένως, ξεκινάμε από τον υπολογισμό των mol του NaCl. m 3,4 n = = = 0,4 mol NaCl M 58,5 n n 0,4 mol c = = = = L = 000 ml διαλυματος c 0, mol/l m d = m = d =,7 g/ml 000 ml = 340 g διαλυματος Στα 340 g διαλύματος περιέχονται 3,4 g NaCl Στα 00 g διαλύματος περιέχονται x g NaCl x = g NaCl, άρα % w/w Αραίωση διαλύματος Η αραίωση ενός διαλύματος γίνεται με προσθήκη διαλύτη. Επομένως, ένα υδατικό διάλυμα αραιώνεται με προσθήκη νερού. Κατά την αραίωση ενός διαλύματος πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη μας τα εξής: Η ποσότητα (μάζα ή όγκος ή mol) της διαλυμένης ουσίας παραμένει σταθερή. Η μάζα (ή ο όγκος) του ικού διαλύματος Δ είναι ίση με την μάζα (ή τον όγκο) του αρχικού διαλύματος Δ συν τη μάζα (ή τον όγκο) του νερού που προσθέσαμε. Η περιεκτικότητα ή η συγκέντρωση του ικού διαλύματος Δ ελαττώνεται σε σχέση με το αρχικό διάλυμα Δ, αφού το Δ έχει μεγαλύτερη μάζα (ή όγκο) από το Δ. Στην περίπτωση που η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας είναι μετρημένη σε mol, ισχύει ότι n = n που, με βάση τη σχέση n = c, ισοδύναμα δίνει: όπου: c = c c και η συγκέντρωση και ο όγκος, αντίστοιχα, του διαλύματος Δ (πριν την αραίωση) c και η συγκέντρωση και ο όγκος, αντίστοιχα, του διαλύματος Δ (μετά την αραίωση) με c < c και >

5 Η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας παραμένει σταθερή και κατά τη συμπύκνωση ενός διαλύματος, με αφαίρεση νερού από το διάλυμα με εξάτμιση. Στην περίπτωση αυτή έχουμε: Η μάζα (ή ο όγκος) του ικού διαλύματος είναι ίση με την μάζα (ή τον όγκο) του αρχικού διαλύματος μείον τη μάζα (ή τον όγκο) του νερού που αφαιρέθηκε. Η περιεκτικότητα ή η συγκέντρωση του ικού διαλύματος αυξάνεται σε σχέση με το αρχικό διάλυμα, αφού το ικό διάλυμα έχει μικρότερη μάζα (ή όγκο) από το αρχικό. Ισχύει και σε αυτή την περίπτωση η σχέση c = c (με c > c και < ). Η αύξηση της περιεκτικότητας ή της συγκέντρωσης ενός διαλύματος μπορεί να επιτευχθεί και με προσθήκη ορισμένης επιπλέον ποσότητας της διαλυμένης ουσίας που περιέχει. Η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας στο ικό διάλυμα είναι ίση με την ποσότητα της διαλυμένης ουσίας στο αρχικό διάλυμα συν την ποσότητα της ουσίας που προστέθηκε. Κατά τη διάλυση σχετικά μικρών ποσοτήτων στερεών ή αερίων σε ένα διάλυμα, ο όγκος του διαλύματος παραμένει πρακτικά σταθερός. Η ευταία παραδοχή θα γίνεται, κατά τη λύση μίας άσκησης, μόνο υπό την προϋπόθεση ότι αναφέρεται στην εκφώνησή της. Παραδείγματα. Σε 400 ml διαλύματος HCl 4M προσθέτουμε 600 ml νερού. Να υπολογιστεί η συγκέντρωση του διαλύματος που προκύπτει. Μετά την προσθήκη του νερού η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας παραμένει σταθερή, επομένως: c n = n c = c c = () οπου c = 4 M, = 400 ml = 0,4 L και = + = 400 ml ml = 000 ml = L HO 4 M 0,4 L Με αντικατασταση στην () εχουμε: c = = 0,8 M L. Πόσα L νερού πρέπει να εξατμιστούν από 30 L διαλύματος NaCl 0, M ώστε να προκύψει διάλυμα NaCl M; Μετά την εξάτμιση του νερού η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας παραμένει σταθερή, άρα: c 0, M 30 L n = n c = c = = = 3 L c M O ογκος του νερου που εξατμιστηκε θα ειναι: = - = 30 L - 3 L = 7 L HO

6 3. Σε 00 ml διαλύματος NaOH περιεκτικότητας 0% w/v και πυκνότητας, g/ml προσθέτουμε 80 g νερού. Να βρεθεί η % w/w περιεκτικότητα του διαλύματος που προκύπτει. Στα 00 ml διαλύματος περιέχονται 0 g NaOH Στα 00 ml διαλύματος περιέχονται x g NaOH x = 0 g NaOH Από τον τύπο της πυκνότητας υπολογίζουμε τη μάζα του διαλύματος: m d = m = d =, g/ml 00 ml = 0 g διαλυματος Άρα, το ικό διάλυμα θα έχει μάζα: 0 g (αρχικό διάλυμα) + 80 g (νερό) = 500 g και θα περιέχει 0 g NaOH, αφού μετά την προσθήκη του νερού η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας παραμένει σταθερή. Έτσι έχουμε: Στα 500 g διαλύματος περιέχονται 0 g NaOH Στα 00 g διαλύματος περιέχονται y g NaOH y = 4 g NaOH Επομένως το ικό διάλυμα έχει περιεκτικότητα 4% w/w. Ανάμιξη διαλυμάτων Κατά την ανάμιξη δύο - ή και περισσοτέρων - διαλυμάτων, που περιέχουν την ίδια διαλυμένη ουσία, προκύπτει ένα ικό διάλυμα που έχει τα εξής χαρακτηριστικά: Η μάζα (ή ο όγκος) του ικού διαλύματος (Δ) είναι ίσος με το άθροισμα των μαζών (ή των όγκων) των διαλυμάτων Δ και Δ που αναμιγνύονται. Η ποσότητα (μάζα ή όγκος ή mol) της διαλυμένης ουσίας στο ικό διάλυμα (Δ) είναι ίση με το άθροισμα των ποσοτήτων της διαλυμένης ουσίας σε καθένα από τα αρχικά διαλύματα Δ και Δ που αναμιγνύονται. Στην περίπτωση που η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας είναι μετρημένη σε mol, ισχύει ότι n + n = n που, με βάση τη σχέση n = c, ισοδύναμα δίνει: c + c = c, όπου = +. Επομένως: c + c = c ( + )

7 όπου: Χημεία Α Λυκείου c και η συγκέντρωση και ο όγκος, αντίστοιχα, του διαλύματος Δ c και η συγκέντρωση και ο όγκος, αντίστοιχα, του διαλύματος Δ c η συγκέντρωση του ικού διαλύματος Το ικό διάλυμα θα έχει συγκέντρωση με τιμή ενδιάμεση των τιμών των συγκεντρώσεων των διαλυμάτων που αναμιγνύονται. Αν, για παράδειγμα, c < c τότε c < c < c. Παραδείγματα. Αναμιγνύονται 00 g διαλύματος NaCl 4% w/w (διάλυμα Δ) με 600 g διαλύματος NaCl % w/w (διάλυμα Δ). Να υπολογιστεί η % w/w περιεκτικότητα του ικού διαλύματος που προκύπτει. Στα 00 g διαλύματος Δ περιέχονται 4 g NaCl Στα 00 g διαλύματος Δ περιέχονται x g NaCl x = 8 g NaCl Στα 00 g διαλύματος Δ περιέχονται g NaCl Στα 600 g διαλύματος Δ περιέχονται y g NaCl y = g NaCl μάζα ικού διαλύματος: 00 g g = 800 g μάζα διαλυμένης ουσίας (NaCl) στο ικό διάλυμα: 8 g + g = 0 g. Επομένως: Στα 800 g ικού διαλύματος περιέχονται 0 g NaCl Στα 00 g ικού διαλύματος περιέχονται z g NaCl z =,5 g NaCl, άρα,5% w/w. Αναμιγνύονται 00 ml διαλύματος HNO3 0,7 M (διάλυμα Δ) με 400 ml διαλύματος HNO3 c M (διάλυμα Δ), οπότε προκύπτει ικό διάλυμα (Δ) με συγκέντρωση 0,3 Μ. Να υπολογιστεί η συγκέντρωση c του διαλύματος Δ. Έχουμε ανάμιξη διαλυμάτων, άρα ισχύει ο τύπος: c + c = c ( + ) Με αντικατάσταση των δεδομένων του προβλήματος έχουμε την εξίσωση: 0,7 M 0,L + c 0,4 L = 0,3 M (0, L + 0,4 L) από την επίλυση της οποίας προκύπτει ότι c = 0, M ml διαλύματος ΝaOH περιεκτικότητας 8% w/v (διάλυμα Δ) αναμιγνύονται με,5 L διαλύματος ΝaOH συγκέντρωσης 0,8Μ (διάλυμα Δ). Να υπολογιστεί η συγκέντρωση του ικού διαλύματος που προκύπτει. M NaOH = 40

8 Χημεία Α Λυκείου Θα υπολογίσουμε πρώτα πόσα mol NaOH περιέχονται στο διάλυμα Δ: Στα 00 ml διαλύματος Δ περιέχονται 8 g NaOH Στα 500 ml διαλύματος Δ περιέχονται x g NaOH x = 40 g NaCl m 40 n = = = mol NaOH M 40 Από τον τύπο της συγκέντρωσης θα υπολογίσουμε πόσα mol NaOH περιέχονται στο διάλυμα Δ: n c = n = c = 0,8 mol/l,5 L =, mol NaOH Έτσι, στο ικό διάλυμα θα έχουμε: = 0,5 L +,5 L = L διαλύματος (500 ml) n = mol +, mol =, mol NaOH n, mol Επομένως: c = = =, M L 4. Διαθέτουμε τα επόμενα υδατικά διαλύματα: Δ: διάλυμα HSO4 0,M Δ: διάλυμα HSO4 0,5M Αναμιγνύουμε ίσους όγκους από τα διαλύματα Δ και Δ. Να υπολογιστεί η συγκέντρωση του ικού διαλύματος που προκύπτει. Έχουμε ανάμιξη διαλυμάτων, άρα: c + c c + c = c ( + ) c () + = =, αφού αναμιγνύονται ίσοι όγκοι των Δ και Δ. Με αντικατάσταση στην () έχουμε: 0, + 0,5 0,7 c = = = 0,35 M + Επιμέλεια: Παναγιώτης Θεοδώρου Χημικός